Цуркин А.П., Мосолов Д.Н. Учебное пособие по курсу электротехники и электроники

Подождите немного. Документ загружается.

101

рис. 12-36. Конструктивная схема устройства динистора (а) и его условное

графическое изображение (б). А-апод, К-катод, У-управляющий электрод, П

, П

–

электронно-дырочные переходы.

В том случае, если на динистор подаётся электрическое напряжение переключения, то он

будет находится в закрытом состоянии (П

и П

смещены в прямом направлении, а П

– в

обратном и ток динистора практически равен нулю) и нагрузка отключена от электрического

источника при условии, что напряжение питания больше напряжения переключения –

динистор будет находиться в открытом состоянии (все переходы смещаются в прямом

направлении) и нагрузка включается к электрическому источнику.

В включенном режиме работают также и тиристоры. В тиристоре имеется вывод от

одной из баз транзисторов T

и T

четырёхсложной структуры. При подаче тока на одну из

баз этих транзисторов коэффициент передачи растёт и транзистор включается.

Оптоэлектроника.

Оптоэлектроника это раздел электроники, изучающий преобразование оптических

сигналов в электрические и наоборот. В системах передачи, обработки и хранения

информации. Передача информации в оптоэлектронных приборах осуществляется

световыми фотонами с энергией



hW 

……………………………………………….(12.38)

где, h=6,6

-34

Дж

– постоянная Планка;



- частота.

102

Передача, обработка и хранение информации с помощью оптоэлектронных элементов

обеспечивает ряд преимуществ:

а) Высокую ёмкость оптических каналов передачи информиции;

б) Большую плотность записи;

в) Высокую помехозащищённость каналов связи (световая волна не реагирует на

действие электромагнитных полей)

г) Большую возможность микроминиатюризации компонентов связи.

Светодиод.

Светодиоды – это такие приборы, которые имеют один p-n переход, преобразующий

электрическую энергию в энергию некочерентной световой волны. Это явление происходит

при протекании прямого тока диода в результате рекомбинации электронов и дырок в

области p-n перехода и результатом этого явления получают излучение фотонов. Условное

графическое изображение светодиода.

Фотодиод.

Фотодиоды – это приборы в которых выдимое оптичесок излучение воздействует на p-n

переход и за счёт внутреннего фотоэффекта происходит разделение пар и образуется

гальванический элемент. Условное графическое изображение фотодиода:

103

Фоторезистор.

Фоторезисторы – это приборы, электрическое сопротивление которых изменяется в

зависимости от падающей на него интенсивности и спектрального состава светового луча.

Поток фотонов вызывает появление пар электрон-дырка, которые уменьшают сопротивление

резистора. Явление уменьшения сопротивления резисторов под воздействием света называют

внутренним фотоэффектом. Условное графическое изображение фоторезистора:

Фототранзистор.

Фототранзисторы – это биполярные транзисторы, в которых при попадании света на базу

транзистор открываеся . условное графическое изображение фототранзисторов структуры n-p-

104

При включении фототранзисторов по схеме с ОЭ базовый фототок увеличивается в



раз (



=50÷200). Это говорит о том, что фоточувствительность прибора очень высока.

Оптроны.

Оптроны – это приборы, состоящие из источника и приёмника светового излучения,

которые помещены в один корпус

Различают следующие оптроны (оптопары):

 Резисторная оптопара

 Диодная оптопара

 Транзисторная оптопара

Рассмотрим простейшую схему усилителя на диодной оптопаре (рис. 1-37).

Рис. 12-37. Схема усилителя на диодной оптопаре.

105

В рассматриваемой схеме находится транзистор VT, с которого можно снимать усиленный

сигнал. Uвх подаётся на светодиод и световая энергия от него попадает на вход фотодиода,

который преобразует световую энергию в электрическиу, которая снимается с Uвых.

Тема 13.

Транзисторные усилители электрических сигналов.

Усилителями электрических сигналов называют устройства, предназначенные для

усиления мощности электрических сигналов. Обилие задач, решаемых при помощи

электрических усилителей, весьма разнообразно, и поэтому трудно классифицировать

усилители по какому–либо одному признаку Довольно распространенной является

классификация усилителей по типу применяемых усилительных элементов (ламповые,

полупроводниковые, оптоэлектронные) и по полосе пропускаемых частот:

а) усилителя низкой частоты (20 – 30000 Гц);

б) усилители высокой частоты (свыше 100 кГц);

в) усилители широкополосные (от долей Гц до нескольких МГц);

г) усилители постоянного тока (медленные колебания напряжения или тока).

Обычно любой электрический усилитель содержит несколько усилительных каскадов,

каждый из которых является самостоятельным простейшим усилителем.

Усилительный каскад содержит активный усилительный элемент (полупроводник) и

набор вспомогательных деталей (конденсаторов, резисторов, индуктивностей),

обеспечивающих заданный режим работы усилительному элементу и связь между

отдельными усилительными каскадами. Кроме того, в состав усилителя входят входные и

выходные устройства и источники питания сетевого или автономного.

Структурную схему усилителя можно представить в следующем виде (рис.2-1)

В общем виде усилитель можно рассматривать как регулятор мощности электрической

энергии, поступающей из источников питания в нагрузку, причем это регулирование

осуществляется в соответствии с изменением входного сигнала (непрерывно, плавно, линейно

и однозначно).

Название отдельных элементов структурной схемы усилителя следующее:

1. Входное устройство – «ВХ.У» предназначается для согласования сопротивлений

источника сигнала – « ec » с входа первого каскада предварительного усиления – «1КПУ».

2. Каскады предварительного усиления (их может быть несколько) усиливают

амплитуду входного сигнала до величины, необходимой для нормальной работы усилителя

мощности – «УМ».

3. Усилитель мощности (иногда его называют оконечным усилителем) предназначен для

отдачи в нагрузку заданной мощности усиленного сигнала – Р.

По способу соединения отдельных усилительных каскадов между собой различают

усилители:

 с непосредственными (гальваническими) связями;

 резистивно–емкостными связями (RC –усилители);

 с трансформаторными связями.

При усилении электрических сигналов неизбежно возникают некоторые отклонения

формы выходного сигнала от формы входного. Данные, характеризующие свойства

усилителя и вносимые им искажения, называются показателями качества работы усилителя.

Важнейшими из них являются следующие:

106

Рис. 13-1 Структурная схема усилителя (блок-схема)

Коэффициент усиления.

В зависимости от целевого назначения усилители имеют коэффициенты:

а) усиления по току Кi =Iвых/Iвх;

б) усиления по напряжению Кu = Uвых/Uвх;

в) усиления по мощности Кр = Pвых/Pвх, где Iвых – ток в нагрузке, Iвх – ток,

потребляемый от входного источника сигнала ec , Рвых мощность, выделяемая в нагрузке, Pвх

– мощность, потребляемая от входного источника ec.

Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления равен произведению

коэффициентов усиления отдельных каскадов:

К=K

 К

 … К

, (13.1)

где n – число каскадов.

Часто коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах децибелах – дБ,

что позволяет заменить произведение коэффициентов усиления суммой их логарифмов и

строить логарифмические амплитудно–частотные характеристики (ЛАЧХ) усилителей. Такой

подход позволяет исследовать и синтезировать усилители с заданными амплитудными и

частотными характеристиками.

Коэффициенты усиления в децибелах:

Ku=20lgKu=20 lg(Uвых/Uвх);

Ku=20lg(Iвых/Iвх);

Ku=10lg(Pвых/Pвх); (13.2)

Полоса пропускаемых частот (полоса пропускания) усилителя. Полосой пропускания

называются тот диапазон частот, в пределах которого усилитель обеспечивает заданную

величину коэффициента усиления (не ниже чем в корень из 2–х раз от максимального).

Диапазон частот ограничивается верхней и нижней граничной частотами, за пределами

которых частотная характеристика усилителя снижается ниже допустимого уровня. Снижение

(завал) частотной характеристики происходит из–за наличия в схеме усилителя реактивных

элементов, сопротивление которых зависит от частоты сигналов, подаваемых на вход усилителя.

Идеальная амплитудно–частотная характеристика усилителя имеет форму прямоугольника

с основанием равным полосе пропускания усилителя и высотой равной Ко. Реальная частотная

характеристика в силу указанных выше причин приобретает вид, изображенный на рис. 2-2

107

Рис13-2 Амплитудно-частотная характеристика усилителя

На амплитудно–частотную характеристику усилительного каскада наибольшее влияние

оказывают две емкости: емкость разделительного конденсатора

и паразитная емкость,

нагружающая каскад по переменной составляющей выходного сигнала –

Первая из них

включена последовательно с входом каскада, вторая – параллельно выходу каскада.

Поскольку емкостное сопротивление конденсатора определяется частотой сигнала:

Хс





, (13.3)

то ёмкость C

снижает усиление каскада в области нижних частот, а емкость С

– в области

верхних частот. На средних частотах влиянием емкостей С

и С

можно пренебречь и поэтому

усиление каскада будет максимальным.

Чувствительность усилителя.Чувствительность усилителя определяется той

минимальной величиной тока или напряжения на входе усилителя, при которой на

выходе усилителя создается номинальная мощность. Под номинальной мощностью

обычно понимают мощность, при которой искажения не превышают допустимой

величины при работе на расчетную нагрузку.

Собственные шумы усилителя. Собственными шумами усилителя называются сигналы

на выходе усилителя, которые существуют и при отсутствии полезных сигналов на входе

усилителя.

Возникают собственные шумы в результате теплового перемещения зарядов на

сопротивлениях и хаотического движения носителей зарядов в области базы транзистора.

Оцениваются собственные шумы по шумовому фактору, равному отношению мощности

шума на выходе усилителя к произведению к мощности шума на входе усилителя,

помноженному на коэффициент усиления:

Динамический диапазон частот. Динамическим диапазоном усилителя называется

отношение величины максимального допустимого сигнала на входе усилителя к минимально –

допустимому сигналу на его входе и обычно оценивается в децибелах. Определяется он по

линейной части амплитудной характеристики усилителя рис. (2-3)

108

Амплитудная характеристика усилителя не линейна как в области малых, так и в

области больших сигналов. В области малых сигналов отклонения от прямой линии связаны с

собственными шумами усилителя, в области больших сигналов – с нелинейными

искажениями, вносимыми активными усилительными элементами (в основном –

перегружающимися транзисторами) при выходе рабочей точки за пределы линейного участка

характеристики.

Нелинейные искажения. Нелинейными искажениями называют искажения формы

усиливаемого сигнала в результате нелинейности вольтамперных характеристик отдельных

элементов схемы усилителя (например, транзисторов, катушек индуктивности с

ферромагнитными сердечниками и т.д.). Причиной появления значительных нелинейных

искажений может быть или неправильный выбор начального положения рабочей точки

транзистора, или чрезмерно большая величина входного сигнала, или неправильно рассчитанная

индуктивность.

Проявляются нелинейные искажения в том, что при подаче на вход усилителя чисто

синусоидального сигнала, на его выходе появляются новые гармонические составляющие,

искажающие форму первоначального сигнала.

Оцениваются нелинейные искажения по коэффициенту гармонии, равному отношению

геометрической суммы n напряжений высших гармоник Ui к амплитуде первой гармоники U

на выходе усилителя:

...

UUU 





(13.4)

В практических расчетах обычно ограничиваются несколькими первыми гармониками,

поскольку амплитудные значения гармонии более высоких порядков незначительны.

Линейные искажения. К линейным искажениям относятся частотные и фазовые

искажения. Частотные искажения оцениваются по амплитудно–частотной характеристике

усилителя (см. рис.2-2).

Мерой частотных искажений служит коэффициент частотных искажений, определяемый

как отношение коэффициента усиления на средних частотах к коэффициенту усиления на

данной частоте.

Обычно при расчетах значения коэффициентов на данных граничных частотах

принимаются равными друг другу. В этом случае коэффициент частотных искажений

определяется как:

вн



(5)

Фазовые искажения возникают в результате неодинакового времени прохождения

отдельных гармонических составляющих сложного сигнала через реактивные элементы

схемы усилителя.

В результате на выходе усилителя образуются фазовые (во времени) сдвиги

гармонических составляющих

График зависимости угла сдвига фаз от частоты усиливаемого сигнала

называется фазовой характеристикой усилителя.(рис.13-4)

109

Рис13-3Амплитудная характерисика усилителя

Рис.13-4 Фазовая характеристика усилителя.

Переходные искажения. Переходные искажения играют существенную роль в

импульсном усилителе. Эти искажения вызваны переходными процессами в цепях усилителя

содержащих реактивные элементы, а также инерционностью активных усилительных

элементов (рис. 13-5).

Переходные искажения оцениваются по переходным характеристикам усилителя,

представляющим собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения от

времени при подаче на вход усилителя единичной ступени напряжения (скачка напряжения)

Uвх.

Переходные искажения подразделяются на искажения фронтов и вершин усиливаемых

импульсов. Искажения фронтов импульса характеризуются временем установления - t

, т.е.

временем, в течение которого амплитуда выходного сигнала возрастает от 0,1 до 0,9 своего

максимального значения. Искажения плоской вершины выходного импульса

характеризуются выбросом  и спадом плоской вершины импульса

A

110

Рис.13-5. Переходная характеристика усилителя

Перед рассмотрением вопроса принципа работы усилителного каскада необходимо

рассмотреть динамические характеристики усилительного каскада, в котором транзистор

включен по схеме с ОЭ и когда вход и выход схемы подключены к источникам смещения

.(рис 13-6)

Рис. 13-6 Простейшая схема усилительного каскада, включенного по схеме с ОЭ.

Если на вход не подан сигнал, то

вых

по второму закону Киргофа

kвых

EIuRuU 

(13.6)

или

kkkвых

RIEU 

(13.7)

Это уравнение динамического режима или уравнение нагрузочной прямой.

Принцип работы усилительного каскада. Принцип работы усилителя рассмотрим

на примере усилительного каскада (рис. 13-7)

Здесь происходит усиление как по току, так и по напряжению.

бk

II 

эk

RR 

, следовательно

бэкэ

UU 

, т.е.

вхвых

UU 

вхвых

II 